Amazonska in sosednja pobočja Andov v Južni Ameriki gostijo osupljivo bogastvo rastlin in živali. Te vrste so že od prihoda prvih ljudi vir hrane, zavetišča in zdravil, tarča znanstvene radovednosti pa že od najstarejših evropskih raziskovalcev naravoslovja.
Kateri procesi povzročajo tako vroče točke bogastva vrst in zakaj se biotska raznovrstnost postopoma zmanjšuje v višje zemljepisne širine in suše podnebje? Znanstveniki so predlagali številne konkurenčne razlage, toda preprostega načina za njihovo testiranje ni. Kot biogeografi, tisti od nas, ki preučujemo geografijo življenja na planetu, nimamo možnosti izvajati eksperimentov v resničnem svetu. Nepraktično in neetično bi bilo, če bi se začeli množično vnašati ali iztrebljati vrste in nato čakati stoletja ali tisočletja na rezultate.
Namesto tega, kot smo poročali v naši nedavni študiji, objavljeni v reviji Science, smo združili interdisciplinarno ekipo biogeografov in klimatskih modelarjev, da bi ustvarili virtualni svet - kraj za virtualne poskuse. Svet, ki smo ga poustvarili, je časovno potekala simulacija življenja na celini Južna Amerika, od 800.000 let do danes, skozi klime biča v zadnjih osmih ledeniških ciklih. Če bi vzorci biotske raznovrstnosti, proizvedeni v tem simuliranem svetu, ustvarili razumno realistične vzorce raznolikosti, bi lahko bili prepričani, da so bili ekološki in evolucijski procesi, vgrajeni v simulacijo, pravi.
Našli smo presenečenje nad našimi najljubšimi pričakovanji. Zemljevidi južnoameriške raznovrstnosti vrst, ki izhajajo iz naših simulacij, so bili videti izjemno podobni zemljevidom živih ptic, sesalcev in rastlin. Še več, simulacije so potrdile presihajoče migracijske koridorje med Andi in atlantskim deževnim gozdom na jugovzhodni Braziliji. Te regije so trenutno med seboj izolirane zaradi bolj suhega podnebja, vendar znanstveniki že dolgo sumijo, da obstajajo povezave, ki temeljijo na prisotnosti tesno povezanih živih vrst v obeh regijah.
Navidezno življenje v virtualnem svetu
Vsaka simulacija se je začela z eno samo namišljeno vrsto, posejano nekje na podrobnem topografskem zemljevidu Južne Amerike. V časovnih korakih 500 let, skupaj 1600 korakov, je bilo podnebje posodobljeno z najsodobnejšim paleo-podnebnim modelom, ki sta ga ustvarila naša kolega Neil Edwards in Phil Holden z Odprte univerze v Veliki Britaniji.
Skupaj smo izvedli več kot tisoč simulacij, od katerih ima vsaka drugačno kombinacijo nastavitev za samo štiri spremenljivke:
- Kako dolgo mora biti populacija izolirana, da postane nova vrsta
- Kako hitro se vrste lahko razvijejo, da preživijo, kot odgovor na podnebne spremembe
- Kako daleč se lahko vrsta premika po neprimernem habitatu
- Kako močno povezane vrste tekmujejo med seboj.
Zakaj je bilo močno ujemanje med našimi simuliranimi kartami bogastva vrst in zemljevidi ptic, sesalcev in rastlin v resničnem svetu tako presenetljivo? Ker so naše simulacije zajele le majhen delček časa v dolgi zgodovini Južne Amerike. Osemsto tisoč let se morda zdi globok čas, vendar se je Južna Amerika ločila od Afrike pred 130 milijoni let, Andi pa so začeli svoj vzpon pred 25 milijoni let. Zdaj je znano, da se naraščajoči seznam rastlinskih in živalskih skupin v Južni Ameriki razpršil v poznem kvartarnem obdobju - približno v zadnjih 800.000 letih -, vendar je večina vrst na celini veliko starejših.
Presenečeni smo bili tudi, da so naši simulirani zemljevidi tako zelo podobni dejanskim vzorcem bogastva vrst, saj naših zemljevidov ni vodil noben poseben ciljni vzorec raznolikosti. Zgrajeni so bili strogo na temeljnih procesih, kot jih razumemo iz temeljnih raziskav v ekologiji in evolucijski biologiji. Na primer, modelirali smo evolucijsko prilagajanje podnebnim skrajnostim z uporabo načel in enačb iz populacijske genetike.
Od zibelke do muzeja do groba
Danes so žive vrste. So zgornji nasveti evolucijskih dreves s številnimi odmrlimi vejami spodaj, ki predstavljajo izumrtje v preteklosti. Evolucijski biologi lahko v mnogih primerih sklepajo, kje so morda živeli predniki živih vrst. Regije, v katerih so se vrste v preteklosti razmnoževale, so jih imenovali "zibelke" specifikacije. Na primer, pobočja Andov že dolgo veljajo za vroče mesto specifikacije.
Prvi diagram evolucijskega drevesa Charlesa Darwina iz njegovega Prvega zvezka o transmutaciji vrst (1837). Iz njegovih zapiskov je razvidno, da je razumel, da je izumrtje bistven element evolucije: "Tako bi nastali rodovi, ki bi se nanašali na starodavne vrste z več izumrlimi oblikami." (Javna domena) Regije, v katerih vrste obstajajo še posebej dolgo, se imenujejo "muzeji". Vsako območje, na primer Amazonka, v katerem obstajajo številne starodavne vrste, se lahko šteje za biogeografski muzej. Nasprotno pa je razmišljanje, kje bi bilo treba na zemljevidu postaviti mrtve veje v evolucijskem drevesu - "grobovi" - s preučevanjem geografije živih preživelih praktično nemogoče.
S svojimi simulacijami smo sledili in preslikali celotno »življenjsko pot« vsake virtualne vrste, od zibelke do groba, v prostoru in času.
Ko se podnebje spreminja iz koraka v korak v simulaciji, se lahko geografsko območje vrste (njen položaj na zemljevidu) razdrobi zaradi neprimernega podnebja. Če drobec vztraja v izolaciji dovolj dolgo, je razglašen za novo vrsto. Čas razdrobljenosti in lokacija takega fragmenta v tem obdobju izolacije določa "zibelski segment" njegove življenjske poti.
Ko in če virtualna vrsta izumre, na zemljevidu zabeležimo čas in na zemljevidu določimo lokacijo upada proti izumrtju, ki predstavlja "grobni segment" življenjske poti vrste. Čas in kraj, ki ju vsaka vrsta vztraja med fazo zibelke in grobno fazo, določata "muzejski segment" svoje življenjske poti.
Naše simulacije so izdelale zemljevide zibelk, muzejev in prvič grobov. Zemljevidi so potrdili, da sta vzhodna pobočja Andov in zahodna Amazonija zibelki specifikacije. Grobovi izumrtja so sovpadali z zibelkami v nekaterih regijah, kot je Amazonka, v drugih pa so jih izrinili iz zibel, kot so Andi. Vzhodno pobočje tropskih Andov se je izkazalo kot le zibelka, ampak tudi bogat muzej biotske raznovrstnosti.
Prav tako smo spremljali, kdaj so specifikacije in izumrtje med simulacijami dosegle vrhunec in upad ter ugotovili, da ledeniški cikli poganjajo oba procesa. Vrhovi izumrtja so ponavadi sledili vrhuncem specifikacije v obdobjih hitrega segrevanja ob koncu hladnih ledeniških obdobij.
Podnebna dinamika in topografija poganjata vzorce
Naša raziskava nas vodi k prepričanju, da vzorci bogastva živih vrst, ne glede na starost vrste, izvirajo iz istih temeljnih procesov, kot smo jih modelirali pri simulaciji. Medsebojno delovanje med burnim podnebjem v zadnjih 800.000 letih in dramatičnimi pokrajinami Južne Amerike je v nekaterih mlajših skupinah rastlin in živali povzročilo specifikacijo, a so se tako medsebojno premeščale lokacije mladih in starodavnih vrst.
Človeške dejavnosti silijo spremembe svetovnega podnebja brez primere, veliko hitreje kot podnebna dinamika v našem modelu. Vemo, da so vrste že v gibanju, njihov obseg pa se spreminja na zaskrbljujočih hitrostih na kopnem in v morjih, kar močno vpliva na človekovo življenje in preživetje.
Čeprav naše simulacije niso bile zasnovane tako, da bi napovedovale prihodnost, pa jasno razkrivajo dinamično moč podnebnih sprememb, da bi oblikovale življenje na Zemlji.
Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru.
Robert K. Colwell, priznani raziskovalni profesor na Univerzi v Connecticutu
Thiago F. Rangel, profesor za ekologijo, Universidade Federal de Goias
